基于LUCC视角山水林田湖草沙一体化保护和修复工程对生态系统服务价值的影响

摘要：山水林田湖草沙一体化保护和修复工程对于提升生态环境质量、实现新时代生态文明目标具有重要作用，定量化测算其带来的生态效益逐渐成为该研究的难点和热点。因此，以临沂市山水工程重点项目区为研究区域，基于土地利用变化，建立价值评估方法并探索山水工程实施对于生态系统服务价值影响。2020—2023年，研究区域生态系统服务价值总量分别为121.351 7亿元和123.441 8亿元，总体上升了

2.090 1亿元，耕地面积较大，导致其生态系统服务价值在总量中的占比也较高，但是林地和水域以较小的面积，却贡献了约50%的生态系统服务价值，林地和水域面积的变动会较大影响区域总体的生态系统服务价值。本研究对山水工程生态绩效评估，建立生态保护长效机制，持续提升生态系统服务具有借鉴价值。

关键词：生态保护修复；土地利用变化；生态系统服务价值；山水工程；沂蒙山区

中图分类号：X171.4 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）10-0-07

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The Effect of Integrated Protection and Restoration of Landscape， Forest， Lake， Grass and Sand on Ecosystem Service Value from the Perspective of Land Use and Land Cover Change

HUANG Yongxin

（Nanjing Agricultural University， Nanjing 210095， China）

Abstract： The integrated protection and restoration of landscape， forest， Lake， grass and sand plays an important role in improving the quality of the ecological environment and achieving the goal of ecological civilization in the new era.Quantitative measurement of the ecological benefits it brings has gradually become a difficult and hot topic in this research.Therefore，taking the key project area of landscape engineering in Linyi city as the research area，based on land use change，a value evaluation method is established and the impact of landscape engineering implementation on ecosystem service value is explored.From 2020 to 2023， the total value of ecosystem services in the study area will be 12.135 17 billion yuan and 12.344 18 billion yuan respectively， with an overall increase of 209.01 million yuan. Cultivated land accounts for a larger area， which results in a higher proportion of its ecosystem service value in the total amount， but woodland and watersheds， with a relatively smaller area， contribute to about 50% of the ecosystem service value. However， the changes in the area of forest land and watershed will have a greater impact on the overall ecosystem service value of the region. This study is useful for assessing the ecological performance of the Shanshui project， establishing a long-term mechanism for ecological protection， and continuously improving ecosystem services.

Keywords： ecological protection and restoration; land use and land cover change; ecosystem service value; landscape engineering; Yimeng mountain

生态系统服务是指人类通过生态系统直接或间接得到的收益，通常分为供给服务、调节服务、支持服务及文化服务[1]。不同学者借助经济学、生态学的方法将生态系统服务量化，得到生态系统服务价值的概念。土地作为人类生产生活的主要空间，经常受到人类各种实践活动而发生功能结构上的改变，土地利用/覆被变化（Land Use and Land Cover Change，LUCC）在土地利用类型的基础上定义这些变化[2]，进而成为决定生态系统服务功能整体状况及其空间差异的重要因素，影响生态系统服务价值量的大小。山水林田湖草沙一体化保护和修复工程改变以往针对单一要素进行整治与修复的传统方式，通过全域国土空间优化生态系统整体质量[3]。针对生态修复生态质量的评价关注于生态修复具体过程，效应与效果的研究多集中于微观尺度。而基于LUCC的生态系统服务价值评估方法作为一种可以科学全面衡量区域生态系统变化的方法，易于定量测算生态修复工程对区域生态系统的影响[4]。

山东省临沂市山水林田湖草沙一体化保护和修复工程涉及临沂市10个区县，其中沂水县、费县、平邑县、蒙阴县为国家重点生态功能区，以“水源涵养”为生态主体类型，是山水工程的主要项目区。2021—2023年，当地政府按照“山水林田湖草沙是一个生命共同体”理念，通过小流域综合治理、废弃矿山修复等多项具体修复工程，大幅提高了区域生态环境质量。基于此，以沂水县、费县、平邑县、蒙阴县为例，构建山水工程对区域生态系统服务价值影响的定量化评估方法，运用当量因子法科学评估研究区域的生态系统服务总价值和各单项生态服务功能价值。

1 研究区域和数据来源

1.1 研究区域概况

研究区域为沂水县、蒙阴县、费县、平邑县（地理坐标为东经117°24′～119°11′，北纬34°22′～36°13′）位于山东省中部偏东南、临沂市东北部，地近黄海，东连日照，西接枣庄市、济宁市、泰安市，北靠淄博市、潍坊市。研究区地处鲁中南低山丘陵区，海拔一般在400 m以上，控制着沂河上游及其主要支流流向。研究区域概况如图1所示，区域内地貌主要是中低山丘陵地貌，山高谷深，河流纵横交错。研究区地处中纬度区，属于暖温带半湿润大陆性季风气候，具有气候适宜、四季分明、光照充足等特点。多年平均气温为13.4 ℃，多年平均降水量为819.7 mm。研究区内具备森林-水源-农田生态系统类型，主要服务于水源涵养、洪水调蓄、土壤保持等生态功能。

1.2 数据来源

研究数据包括土地利用遥感影像解译数据、行政边界数据等。研究区域采用的空间分辨率为30 m的土地利用数据，分别来自中国科学院资源环境科学与数据中心2020年和2023年土地利用遥感监测数据集，表征山水工程实施前后土地利用状况，并按照行政边界，提取研究区域的土地利用类型数据，同时参照其2017年土地利用现状分类体系，将研究区域土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地与未利用地6个一级类。但由于研究区域的未利用地面积较小，本次研究不选入。此外，研究所涉及的矢量地图来源于标准地图服务系统，研究区相关社会经济数据来自2020年和2023年《临沂市统计年鉴》《全国农产品成本收益资料汇编》等。

2 研究方法

2.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述[5]，是量化土地利用转移面积的分析方法，可以直观地获知特定时间尺度内土地利用类型的变换方向和面积变化值，设i、j

（i， j=1，2，3，…，n）分别为研究开始时和结束时的土地利用类型，Sij为转移之前第i种土地利用类型向第j种土地利用类型所转移的面积。土地利用转移矩阵表达式为

（1）

式中：n为研究区域的土地利用类型的数量。

2.2 土地利用动态度

土地利用动态度可以用来反映土地利用转移变化的速度，单一土地利用动态度反映了某研究区在一定时间范围内某种土地利用类型数量变化的速度和幅度。种土地利用类型的动态度公式为

（2）

式中：K为该种土地利用类型的动态度；Ua、Ub分别为研究期初和期末该种土地利用类型的面积；T为研究时长。

2.3 生态系统服务价值研究

本研究借助谢高地等[6]制定的单位面积生态系统服务价值当量因子表，通过计算研究区域1个标准单位生态系统服务价值当量因子的经济价值量，并结合研究区域的实际情况进行修正，最终得到修正后价值当量表、研究区域各土地利用类型生态系统服务单价和总价值。

2.3.1 研究区1个单位标准当量因子经济价值计算

根据谢高地研究成果，1个标准单位生态服务价值当量因子（以下简称标准当量）是指1 hm2全国农田平均每年单位面积自然粮食产量的经济价值，可以用量化不同类型生态系统对生态服务功能的潜在贡献能力的作用。根据已有研究，确定1个标准当量的经济价值量等于当年全国平均粮食单产市场价值的1/7。计算公式为

（3）

式中：Ea为单位农田生态系统提供生产服务功能的经济价值，元/hm2；c为作物种类；pc为第c种粮食作物的全国平均市场价格，元/t；qc为第c种粮食作物单位产出（t/hm2）；mc为第c种粮食作物种植面积，hm2；M为g种粮食作物总面积，hm2。

根据研究区所在地区临沂市2020年和2023年统计年鉴，获得当地主要粮食作物小麦和玉米种植面积和单位产出，且由于水稻种植面积极少，不纳入计算范围。结合2020年和2023两年《全国农产品成本收益资料汇编》中小麦和玉米的平均出售价格，最终求取平均值获得研究区单位面积生态服务价值当量因子

为2 224.85元/hm2。

2.3.2 生态系统服务价值当量因子表修正

本研究基于谢高地等最新修订的单位面积生态系统服务价值当量因子表，包括供给服务、调节服务、支持服务、文化服务4个一级类和11个二级类的生态服务分类体系，结合研究区域实际情况，修正各生态系统的服务价值系数。

研究区耕地类型全部为旱地；针叶林、阔叶林、灌丛面积比例为19.7∶66.4∶13.9，根据加权方法算的林地对应价值当量系数[7]。研究区草地以灌丛为主，故草地当量系数选择当量表中灌丛当量系数；水域主要为天然池塘、人工水库和滩地，面积分布为1∶1∶1，前者按照水域系数，后二者按照湿地系数加权计算；建设用地主要包括城乡居民点、工矿用地等，其生态服务价值影响范围和程度很小，且现有缺少将建设用地生态服务价值完全量化的方法，暂不纳入研究范围。得到研究区域生态服务价值当量表如表1所示。

2.3.3 生态系统服务价值测算

根据以往研究成果，得到研究区生态系统服务总价值和各项服务价值的计算公式为

（4）

（5）

式中：E为生态系统服务总价值；Ak为第k种土地利用类型面积；Vk为第k种土地利用类型的生态系统服务价值系数；Ef为生态系统第f项服务功能价值；Vfk为第k种土地利用类型的第f项服务功能价值系数；x为土地利用类型总数量。

为了进一步研究和表征研究区生态系统服务价值空间分布特征，借助ArcGIS 10.8格网尺度法[8]，利用渔网工具，根据研究区域的地形、面积、高程等情况，构建格网，每个格网内的生态系统服务价值计算公式为

（6）

式中：Ed为第d个格网内的生态系统服务价值；As为第s类土地利用类型的面积；Vst为第s类土地利用类型第t种生态系统服务功能的单位服务价值；y为生态系统服务功能的总类别数量。

3 研究结果和分析

3.1 土地利用变化分析

2020—2023年研究区土地利用类型如图2所示。2020年项目实行期初，研究区域面积占比最多的土地利用类型为耕地，占比为69.82%，2023年项目实施后，面积减少6 015.6 hm2，是面积减少最多的土地利用类型，占比下降了0.8%，动态度为-0.38%，但仍然是研究区域内占比最高的土地利用类型，这是因为研究区域整体较为平缓，具有温暖湿润的气候、肥沃的土壤、充足的水源等优越的自然条件。虽然区域内部分布较多低山丘陵，但是所在区域人口数量众多，对于粮食和农产品需求旺盛，土地开发利用强度大，存在较多坡耕地和沿坡修建的梯田。

建设用地为占比第二大的土地利用类型，占比为13.45%，区域内人口多，导致居住用地等建设用地面积较大，同时从2020—2023年，为面积增加最多的土地利用类型，占比上升0.32%。其次是林地和草地，占比分别为10.22%和4.62%，研究区内中部为沂蒙山系，森林覆盖较多，并分布有低矮灌丛草地。水域是占比最小的土地利用类型，为1.89%，虽然境内有多条河流，并且为水源发源地，但是位于上游地区，河道较窄，没有自然积蓄形成大型湖泊，散布较多零星池塘。总体看，除了耕地处在下降趋势，其他4个土地利用类型面积均有所上升，动态度较高的为草地和水域，分别为2.3%和1.95%，受到了重视和保护。

山水工程对不同土地利用类型的变化和转移方向具体作用如表3所示。耕地受坡耕地还草还林、水土保持、流域治理等工程措施影响，向草地、林地、水域转移10 859.58 hm2，占比为78.13%，县乡等建设用地持续扩张，导致有3 039.66 hm2土地被侵占。草地主要转向耕地和林地；建设用地由于社会经济持续发展，转移面积不大，主要为耕地和水域；林地受到保育等工程，也未发生较大转移，主要转向耕地和草地。水域由于难以开发利用，并且受到工程高度保护和重视，受小流域综合治理和水环境治理等工程，转移面积最小。

3.2 生态系统服务价值分析

3.2.1 生态系统服务价值总体变化

2020—2023年研究区不同土地利用类型的生态系统服务价值如表4所示，2020年研究区域的生态系统服务价值为121.351 7亿，生态修复工程实施之后，生态系统服务价值增加了2.090 1亿元，至123.441 8亿元，变化率为1.72%。除了耕地由于面积减少导致价值其生态系统服务价值下降0.536 7亿元外，其他4个土地利用类型均增加，草地和水域增加值最多为1.049 1亿元和1.409 7亿元。但总体来看，耕地在总体价值的占比最高，为37.42%；其次是林地，贡献28.71%；虽然水域的面积最小，但是其单位面积生态系统服务价值较大，贡献度占比为20.71%，说明水资源型生态系统对于生态服务功能的重要性程度，需要持续贯彻执行流域治理、设置水源自然保护区等保护和修复工程。林地和水域生态系统应是改善区域生态环境、保障区域生态安全的关键因素。

3.2.2 生态系统服务价值单项变化

2020—2023年研究区单项生态系统服务价值变化如表5所示。可以发现，修复工程实施之后，生态服务系统的单项服务功能价值除了食物生产、原料生产、维持养分循环3项由于耕地面积下降较多而发生相应降低之后，其他各项服务价值均有不同程度上的增加，其中水文调节服务功能价值增加最多为1.127 2亿元，

同时水文调节服务功能在总体生态系统服务总价值中的占比最高，为24.6%。这是由于林地、草地、水域等的单位面积水文调节功能均较高，3类平均值为43 254.72元/hm2，尤其是水域为111 761.63元/hm2。

各项功能中，占比最少的为水资源供给和维持养分循环，美学景观、原料生产、净化环境适中，食物生产、气体调节、气候调节、土壤保持以及生物多样性对生态系统总体服务功能价值的贡献较高。

总之，该地区生态系统服务功能主要以气体调节、气候调节、水文调节以及土壤保持为主，因此应当继续坚守水域、林地面积不被转换，划定并严格落实林地生态保护红线和生态保护自然区，对进一步提升区域生态系统服务价值有重要意义。

3.2.3 生态系统服务价值空间分异

为更好地展现研究区域生态系统服务价值的空间分异规律[9]，本研究通过ArcGIS 10.8软件测算格网内的生态系统服务价值，来表示不同地区的单位生态系统服务价值并绘制，并通过自然断面法将生态系统服务价值划分为低、较低、中、较高、高5个级别，如图3所示。

结合研究区域土地利用现状可发现，区域生态系统服务价值呈现生态服务价值低值区域集中连片分布、高值区域零星分布的总体布局，零散水体区域的价值高，中部林地覆盖沂蒙山区价值较高，南部和北部草地集中分布区价值适中，耕地与建设用地价值低的空间分异规律。

4 讨论与分析

本研究首先探讨了各项修复工程具体措施对于土地利用类型变化的作用效果，并且利用了谢高地等[6]研究的生态系统服务价值当量因子法进行服务价值测算，主要用于评估多尺度区域生态系统服务价值变化。该方法的关键是确定区域地类面积及单位面积生态系统服务价值，因此先根据研究区域实际情况修正并建立单位面积生态系统服务价值当量表，后借助ArcGIS 10.8软件工具，在600 m×600 m格网尺度下解译分析工程实施前后2020年和2023年两年的土地利用类型面积和变化状况，评估出临沂市山水林田湖草沙一体化保护和修复工程实施前后的总体生态系统服务价值、各项生态功能服务价值和变化量，进而展现和说明该项生态修复工程对于当地生态系统服务价值的影响。项目实施前后（2020—2023年），研究区域（沂水县、蒙阴县、平邑县、费县）各类土地利用类型占比排序均为耕地＞建设用地＞林地＞草地＞水域，土地利用空间分布格局基本保持稳定，各土地利用类型相互之间产生了不同程度转移。从面积变化的绝对值来看，耕地失去了最多的土地，而草地和建设用地则增加了最多，水域和林地也获得提升，这与生态修复工程的退耕还林还草、水土保持、小流域综合治理密不可分，但由于经济发展和城市化的必然性，建设用地依然获得面积增加。从面积变化的动态度来看，草地和水域动态度较高，说明面积较原来获得增加幅度大，并且有继续扩大趋势[10]。未来，为保持工程实施效果的长期性，要继续落实林地草地育种和水土保持等工程，防止草地等地类转化回建设用地和耕地，同时减缓建设用地向其他地类侵占的速度。

5 结论

文章以临沂市山水工程重点项目区为研究区域，探究基于LUCC视角山水林田湖草沙一体化保护和修复工程对生态系统服务价值的影响。得出结论：工程项目实施后，研究区土地利用总体格局保持稳定，耕地面积减少最多，林地、草地、水域面积因为相关工程措施获得不同程度增加；山水工程实施前，地区生态系统服务价值为121.351 7亿元，实施后增加至123.441 8亿元，涨幅1.02%，林地、水域以较少的面积贡献了较高的生态系统服务价值，占49.42%，以林地和水域作为生态修复和保护工程的重点单元是保障生态安全、提升生态质量的关键；生态服务价值高值区集中在中部沂蒙山区，以及河流和湖泊等水环境用地，应以此优化生态修复布局和形成长期专项保护治理工作。临沂市山水工程要继续坚持以河流、湿地等水生生态系统和沂蒙山区林地生态系统作为生态修复和空间综合治理的核心单元，杜绝水域和林地被城镇居民点等建设用地侵占。

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